減圧の熱力学モデル

熱力学モデルは、溶液 から出る気泡の量によって減圧が制御される最初の減圧モデルの 1 つでした。このモデルでは、DCS はガス吸収が拡散制限される単一の組織によってモデル化され、減圧中の気泡形成によって溶解ガスと遊離ガスの間の分圧の「相平衡」が引き起こされます。この組織におけるガス除去の駆動メカニズムは、固有の不飽和 (分圧空孔または酸素ウィンドウとも呼ばれます) であり、代謝された酸素がより溶解性の高い二酸化炭素に置き換えられます。このモデルは、トレス海峡諸島の真珠採りダイバーが経験的に開発した減圧スケジュールの有効性を説明するために使用されました。このスケジュールでは、現在の海軍の減圧スケジュールよりも深い減圧停止と短い総減圧時間を使用しました。この深い減圧停止への傾向は、最近の減圧モデルの特徴となっています。^[1]

ブライアン・A・ヒルズは、当時の文献で頻繁に参照されていた既存の減圧仮説を分析し、減圧をモデル化する包括的な理論的アプローチの3つの基本的な特徴を特定しました。^[2]

1. 関与する組織の数と構成。
2. 識別可能な症状の発症のメカニズムと制御パラメータ。
3. ガスの輸送と配送のための数学モデル。

ヒルズは、曝露量/深度の変化による減圧症の発症率に不連続性は見られなかった。これは、単一の重要な組織または連続した組織の範囲が関与していることを示唆しており、従来の指数モデルで半減期の範囲が無限であると仮定しても相関は改善されないと解釈した。^[2]その後の実験研究の後、彼は、減圧症の切迫は、（過飽和の臨界限界によって決定される）その単なる存在よりも、溶液から分離するガスの量（臨界容積仮説）によって示される可能性が高いと結論付け、これは、従来の（ハルダン）スケジュールが実際には組織内の無症候性のガス相を治療しており、溶液からのガスの分離を防いでいないことを示唆していると示唆した。^[3]

効率的な減圧は、気泡の総蓄積を許容可能な非症状臨界値に制限しながら、総浮上時間を最小限に抑えます。気泡の成長と除去の物理学と生理学は、気泡が非常に小さい間に除去する方が効率的であることを示しています。気泡相を考慮したモデルは、溶解相ガスのみを考慮したモデルと比較して、気泡の成長を抑制し、早期除去を促進する方法として、より遅い浮上とより深い初期減圧停止を伴う減圧プロファイルを生み出しました。^[4]

熱力学モデルによれば、ガス放出の最適な駆動力の条件は、周囲圧力が相分離（気泡形成）を防ぐのにちょうど十分なときに満たされます。このアプローチの基本的な違いは、絶対周囲圧力を、減圧後の各ガスの組織内の部分ガス張力の合計と等しくし、それを超えると気泡形成が予想される限界点とすることです。^[2]

このモデルは、代謝による酸素分圧の低下による組織内の自然な不飽和度が気泡形成に対する緩衝材となり、周囲圧力の低下がこの不飽和度値を超えない限り組織は安全に減圧できると仮定している。明らかに、不飽和度を高める方法は、濃度勾配が大きくなり気泡形成のリスクがなくなるため、より速い減圧を可能にする。^[2]

自然不飽和度は、酸素ウィンドウ、部分圧空孔、固有不飽和度などとも呼ばれ、深度とともに増加するため、深度が深いほど周囲の圧力差が大きくなり、ダイバーが浮上すると減少します。このモデルでは、浮上速度が遅くなり、最初の停止は深くなりますが、除去する気泡相ガスが少なくなるため、浅い停止は短くなります。^[2]

自然不飽和度は呼吸ガス中の酸素分圧の上昇とともに増加する。^[5]

熱力学モデルは以下の仮定に基づいている：^[6]

• 考慮されるのは、減圧症の症状を最初に示す 1 種類の組織だけです。その他の症状のない組織は、問題を引き起こさないため無視されます。
• 気泡核の形成は組織内でランダムに発生し、過飽和のレベルもさまざまです。
• 過飽和組織内に気泡核が形成されると、組織内の溶解ガスは気泡表面を通して拡散し、気泡内の圧力と隣接組織内の濃度が平衡に達するまで拡散し続けます。
• 数分以内に相平衡が起こります。
• 泡が形成されると、それらは融合する傾向があり、組織や神経に圧力をかけ、最終的に痛みを引き起こします。
• 一度気泡が形成されると、その気泡は固有の不飽和性により拡散によってのみ除去されます。

気泡の成長を防ぐのに十分な周囲圧力を維持する必要があるため、無症候性減圧中に気泡が形成されないと仮定した溶解相モデルよりも、最初の停止位置が大幅に深くなります。^[6]

このモデルは、従来の溶解相モデルからの根本的な変化でした。ヒルズは相当な懐疑論に直面し、数年間二相モデルを主張した後、最終的に他の研究分野に目を向けました。最終的に、他の研究者の研究が十分な影響を与え、気泡モデルは広く受け入れられ、ヒルズの研究の価値が認められました。^[6]

減圧の気泡モデルはこのモデルから論理的に発展したものである。臨界容積基準は、組織に蓄積されたガス相の総量が臨界値を超えると、DCSの兆候または症状が現れるという仮定に基づいている。この仮定はドップラー気泡検出調査によって裏付けられている。このアプローチの結果は、使用される気泡形成および成長モデル、主に減圧中に気泡形成が実際に回避可能かどうかに大きく依存する。^[7]

このアプローチは、実際の減圧プロファイル中に、生体組織を含む水性媒体中に常に存在する安定した微小気泡核の成長が起こると仮定した減圧モデルで使用されています。^[8]

可変透過性モデル (VPM) は、DE Yount らがプロやレジャーダイビングで使用するために開発した減圧アルゴリズムです。このモデルは、圧力にさらされた無生物および生体システムの両方における気泡の形成と成長の実験室観察をモデル化するために開発されました。^[9] VPM は、水中および水を含む組織内には微小な気泡核が常に存在すると仮定しています。最大潜水深度に関連する特定の「臨界」サイズよりも大きい核は、減圧中に成長します。VPM は、減圧中に外部圧力を比較的大きくし、吸入された不活性ガス分圧を低く保つことで、成長する気泡の総量を最小限に抑えることを目的としています。

縮小勾配気泡モデル（RGBM）は、ブルース・ヴィエンケ博士によって開発された減圧アルゴリズムです。これは、変動浸透率モデル^[10]に関連していますが、変動浸透率モデルのゲル気泡モデルを拒否するという点で概念的に異なります。^[11]

これは、 Suunto、Aqwary、Mares、HydroSpace Engineering、^[10] 、Underwater Technologies Centerなどのダイブコンピュータで使用されています。これは、次のような仮定を特徴としています。血流（灌流）によって拡散による組織へのガス浸透の限界が決まる。気泡の種の大きさには常に指数分布があり、小さい種のほうが大きいものよりはるかに多い。気泡は、あらゆる圧力下でも表面境界を越えてガスを透過する。ハルダニアンの組織区画の半減期は、ガス混合物に応じて1分から720分までの範囲である。^[10]

• BA Hills の研究に関連する Rubicon Research Repository のリソース^[盗用]